Mô Phỏng Và Khảo Sát Đường Cong Hiệu Suất Bức Xạ Gamma Của Đầu Dò Bán Dẫn CdTe

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật nghiên cứu vật lý kỹ thuật mô phỏng và khảo sát đường cong hiệu suất bức xạ gamma của đầu dò bán dẫn cdte bằng, khảo sát thực trạng, phân tích nguyên

• Tác giả: Trần Thị Ánh Minh
• Người hướng dẫn: TS. Lý Anh Tú
• Trường học: Đại học Bách Khoa Thành phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Vật Lý Kỹ Thuật
• Đề tài: Mô Phỏng Và Khảo Sát Đường Cong Hiệu Suất Bức Xạ Gamma Của Đầu Dò Bán Dẫn CdTe Bằng Chương Trình GEANT4
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2018
• Địa điểm: Thành phố Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Tổng Quan Nghiên Cứu Hiệu Suất Đầu Dò CdTe và GEANT4

Nghiên cứu hiệu suất bức xạ gamma của đầu dò bán dẫn CdTe là một lĩnh vực quan trọng, đặc biệt trong bối cảnh ứng dụng ngày càng tăng của chúng trong y học hạt nhân, an ninh hạt nhân và kiểm tra không phá hủy. Việc hiểu rõ các đặc tính của đầu dò, đặc biệt là hiệu suất phát hiện, là rất cần thiết để tối ưu hóa thiết kế và hiệu năng của chúng. Bài viết này tập trung vào việc mô phỏng GEANT4 để nghiên cứu hiệu suất bức xạ gamma của đầu dò CdTe, cung cấp một cái nhìn sâu sắc về phương pháp và kết quả có thể đạt được. GEANT4 cho phép mô phỏng chi tiết các tương tác của hạt với vật chất, từ đó giúp các nhà nghiên cứu hiểu rõ hơn về độ phân giải năng lượng, hiệu suất phát hiện, và các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất của đầu dò gamma. Việc sử dụng phương pháp Monte Carlo trong GEANT4 cho phép mô phỏng các quá trình ngẫu nhiên trong tương tác của bức xạ với vật chất, cung cấp một bức tranh toàn diện về hiệu suất của đầu dò CdTe.

1.1. Giới thiệu về Vật liệu CdTe và Ứng Dụng

Vật liệu CdTe là một chất bán dẫn có vùng cấm năng lượng rộng, có khả năng hấp thụ tia gamma hiệu quả. Điều này làm cho nó trở thành một lựa chọn lý tưởng cho việc chế tạo đầu dò gamma sử dụng trong y học hạt nhân, an ninh hạt nhân, và kiểm tra không phá hủy. Ứng dụng đầu dò CdTe bao gồm chụp ảnh y học, phát hiện vật liệu phóng xạ và kiểm tra chất lượng sản phẩm công nghiệp. Theo tài liệu, CdTe có hiệu suất và độ nhạy cao với vùng năng lượng rộng, và độ phân giải năng lượng cao.

1.2. Tầm quan trọng của Mô phỏng GEANT4 trong Nghiên cứu

Mô phỏng GEANT4 là một công cụ mạnh mẽ để nghiên cứu các đặc tính của đầu dò CdTe mà không cần phải thực hiện các thí nghiệm tốn kém và mất thời gian. GEANT4 cung cấp một môi trường ảo để mô phỏng các tương tác của bức xạ với vật chất, cho phép các nhà nghiên cứu đánh giá hiệu suất của đầu dò trong các điều kiện khác nhau. Mô hình hóa bức xạ bằng GEANT4 giúp tối ưu hóa thiết kế đầu dò và dự đoán hiệu suất của chúng trong thực tế.

II. Vấn Đề Thách Thức Đo Lường Hiệu Suất Bức Xạ Gamma CdTe

Việc đo lường chính xác hiệu suất bức xạ gamma của đầu dò bán dẫn CdTe gặp phải nhiều thách thức. Các phép đo thực nghiệm có thể tốn kém, mất thời gian và khó thực hiện trong một số điều kiện nhất định. Ngoài ra, các yếu tố như hình dạng và kích thước của đầu dò, năng lượng của chùm tia gamma, và bức xạ nền có thể ảnh hưởng đến kết quả đo. Do đó, một phương pháp đáng tin cậy để mô hình hóa và dự đoán hiệu suất của đầu dò là rất cần thiết. Phương pháp Monte Carlo kết hợp với GEANT4 cung cấp một giải pháp hiệu quả cho vấn đề này. Tuy nhiên, để có kết quả chính xác, cần phải xây dựng mô hình GEANT4 chi tiết và kiểm chứng mô hình bằng các phép đo thực nghiệm.

2.1. Các Yếu Tố Ảnh Hưởng Đến Hiệu Suất Đầu Dò CdTe

Nhiều yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất của đầu dò CdTe, bao gồm độ dày đầu dò, thành phần vật liệu CdTe, độ phân giải năng lượng, và thông số đầu dò CdTe khác. Tán xạ Compton, hiệu ứng quang điện, và tạo cặp là các quá trình tương tác chính giữa tia gamma và vật chất CdTe, và chúng có thể ảnh hưởng đến hiệu suất phát hiện. Việc hiểu rõ các yếu tố này là rất quan trọng để tối ưu hóa thiết kế đầu dò.

2.2. Sai Số và Độ Không Chắc Chắn trong Phép Đo Thực Nghiệm

Các phép đo thực nghiệm về hiệu suất của đầu dò CdTe có thể bị ảnh hưởng bởi nhiều nguồn sai số, bao gồm sai số thống kê, sai số hệ thống, và sai số do bức xạ nền. Kỹ thuật đo lường hạt nhân chính xác là rất cần thiết để giảm thiểu các sai số này và đảm bảo độ tin cậy của kết quả. So sánh kết quả mô phỏng với kết quả thực nghiệm là một cách quan trọng để kiểm chứng độ chính xác của mô hình GEANT4.

III. Phương Pháp Mô Phỏng Hiệu Suất Bức Xạ Gamma Bằng GEANT4

Phương pháp chính được sử dụng trong bài viết này là mô phỏng GEANT4. GEANT4 là một phần mềm mô phỏng hạt dựa trên phương pháp Monte Carlo, được phát triển bởi CERN. Nó cho phép mô phỏng chi tiết các tương tác của hạt với vật chất, bao gồm tia gamma, electron, và positron. Bằng cách xây dựng một mô hình GEANT4 chi tiết của đầu dò CdTe, có thể mô phỏng các tương tác của tia gamma với vật liệu CdTe và tính toán hiệu suất phát hiện. GEANT4 cung cấp nhiều mô hình vật lý khác nhau để mô tả các quá trình tương tác, và việc lựa chọn mô hình phù hợp là rất quan trọng để đảm bảo độ chính xác của kết quả.

3.1. Xây Dựng Mô Hình Đầu Dò CdTe Chi Tiết trong GEANT4

Việc xây dựng một mô hình GEANT4 chi tiết của đầu dò CdTe là rất quan trọng để có kết quả mô phỏng chính xác. Mô hình nên bao gồm tất cả các thành phần quan trọng của đầu dò, bao gồm vật liệu CdTe, lớp tiếp xúc, và vỏ bảo vệ. Kích thước và hình dạng của các thành phần cũng cần được mô tả chính xác. Các thông số đầu dò CdTe cần được khai báo chính xác.

3.2. Lựa Chọn Mô Hình Vật Lý Phù Hợp trong GEANT4

GEANT4 cung cấp nhiều mô hình vật lý khác nhau để mô tả các quá trình tương tác của hạt với vật chất. Việc lựa chọn mô hình phù hợp là rất quan trọng để đảm bảo độ chính xác của kết quả mô phỏng. Ví dụ, có thể sử dụng các mô hình khác nhau để mô tả tán xạ Compton, hiệu ứng quang điện, và tạo cặp. Việc so sánh kết quả mô phỏng với các phép đo thực nghiệm có thể giúp xác định mô hình vật lý phù hợp nhất.

3.3. Các Bước Cài Đặt và Chạy Mô Phỏng GEANT4

Để chạy mô phỏng GEANT4, cần thực hiện một số bước. Đầu tiên, cần cài đặt GEANT4 và các thư viện cần thiết. Tiếp theo, cần viết mã C++ để mô tả hình học của đầu dò, vật lý tương tác và các thông số mô phỏng. Cuối cùng, cần biên dịch và chạy mã để thu thập dữ liệu mô phỏng. Kết quả sẽ được dùng để tính hiệu suất đầu dò.

IV. Kết Quả Phân Tích Hiệu Suất Bức Xạ Gamma Mô Phỏng CdTe

Sau khi xây dựng mô hình GEANT4 và chạy mô phỏng, có thể phân tích kết quả để đánh giá hiệu suất của đầu dò CdTe. Các kết quả có thể bao gồm hiệu suất phát hiện theo năng lượng, độ phân giải năng lượng, và phân bố không gian của các tương tác. Các kết quả này có thể được so sánh với các phép đo thực nghiệm để kiểm chứng độ chính xác của mô hình GEANT4. Phân tích phổ gamma cho phép đánh giá khả năng phân biệt các năng lượng khác nhau.

4.1. Đánh Giá Hiệu Suất Phát Hiện Theo Năng Lượng

Một trong những kết quả quan trọng nhất của mô phỏng GEANT4 là hiệu suất phát hiện theo năng lượng. Kết quả này cho thấy khả năng của đầu dò CdTe để phát hiện tia gamma ở các năng lượng khác nhau. Thông tin này rất hữu ích để lựa chọn đầu dò phù hợp cho các ứng dụng cụ thể. Hiệu suất thường được biểu diễn dưới dạng một đường cong.

4.2. Phân Tích Độ Phân Giải Năng Lượng của Đầu Dò

Độ phân giải năng lượng là một thông số quan trọng khác của đầu dò CdTe. Nó cho biết khả năng của đầu dò để phân biệt giữa các tia gamma có năng lượng gần nhau. GEANT4 có thể được sử dụng để mô phỏng và đánh giá độ phân giải năng lượng của đầu dò. Bộ khuếch đại tín hiệu và xử lý tín hiệu có ảnh hưởng lớn đến độ phân giải năng lượng.

V. Ứng Dụng Thực Tế Tối Ưu Đầu Dò CdTe và Đánh Giá An Ninh

Nghiên cứu hiệu suất bức xạ gamma của đầu dò bán dẫn CdTe bằng chương trình GEANT4 không chỉ mang tính học thuật mà còn có nhiều ứng dụng thực tiễn. Các kết quả mô phỏng có thể được sử dụng để tối ưu hóa đầu dò, cải thiện độ nhạy đầu dò và độ phân giải năng lượng. Hơn nữa, nghiên cứu này đóng góp vào việc đo lường phóng xạ và tăng cường an ninh hạt nhân. Các phương pháp tối ưu hóa đầu dò bao gồm điều chỉnh hình dạng, kích thước và thành phần vật liệu.

5.1. Cách Tối Ưu Hóa Đầu Dò CdTe Dựa Trên Kết Quả Mô Phỏng

Kết quả mô phỏng GEANT4 có thể được sử dụng để tối ưu hóa đầu dò CdTe. Bằng cách thay đổi các thông số đầu dò CdTe như kích thước, hình dạng, và thành phần vật liệu, có thể cải thiện hiệu suất phát hiện và độ phân giải năng lượng. Ví dụ, có thể thay đổi độ dày đầu dò để tối ưu hóa hiệu suất ở một dải năng lượng cụ thể.

5.2. Đánh Giá Khả Năng Ứng Dụng Trong An Ninh Hạt Nhân

Đầu dò CdTe có nhiều ứng dụng trong an ninh hạt nhân, chẳng hạn như phát hiện và xác định vật liệu phóng xạ. Mô phỏng GEANT4 có thể được sử dụng để đánh giá khả năng của đầu dò trong các tình huống an ninh khác nhau, chẳng hạn như phát hiện vật liệu phóng xạ bị che chắn. Ứng dụng đầu dò CdTe giúp bảo vệ cộng đồng khỏi các mối đe dọa hạt nhân. Các thuật toán xử lý tín hiệu có vai trò quan trọng trong việc tăng cường khả năng phát hiện.

VI. Kết Luận Tương Lai Nghiên Cứu Hiệu Suất Đầu Dò CdTe

Nghiên cứu hiệu suất bức xạ gamma của đầu dò bán dẫn CdTe bằng chương trình GEANT4 là một lĩnh vực đầy tiềm năng. Các kết quả mô phỏng có thể cung cấp thông tin quan trọng để tối ưu hóa đầu dò, cải thiện độ nhạy đầu dò và độ phân giải năng lượng. Trong tương lai, có thể mở rộng nghiên cứu để khám phá các vật liệu CdTe mới và các thiết kế đầu dò tiên tiến. Phần mềm mô phỏng hạt sẽ tiếp tục đóng vai trò quan trọng trong việc phát triển công nghệ đo lường phóng xạ.

6.1. Hướng Nghiên Cứu Mới Về Vật Liệu CdTe và Thiết Kế Đầu Dò

Nghiên cứu trong tương lai có thể tập trung vào việc khám phá các vật liệu CdTe mới với độ nhạy và độ phân giải năng lượng cao hơn. Ngoài ra, có thể phát triển các thiết kế đầu dò tiên tiến để cải thiện hiệu suất và giảm kích thước. Vật liệu CdTe với cấu trúc nano có thể mang lại những cải tiến đáng kể.

6.2. Vai Trò Của Mô Phỏng Trong Phát Triển Kỹ Thuật Đo Lường Hạt Nhân

Mô phỏng sẽ tiếp tục đóng một vai trò quan trọng trong việc phát triển kỹ thuật đo lường hạt nhân. Bằng cách sử dụng GEANT4 và các phần mềm mô phỏng khác, các nhà nghiên cứu có thể thử nghiệm các ý tưởng mới và đánh giá hiệu suất của các thiết bị trước khi xây dựng chúng trong thực tế. Việc sử dụng mô phỏng giúp tiết kiệm thời gian và chi phí, đồng thời đẩy nhanh quá trình đổi mới.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Mở đầu, Phương pháp thực hiện đề tài, Cơ sở lý thuyết, Phần mềm Geant4 và phương pháp Monte Carlo, Mô phỏng và khảo sát đường cong hiệu suất đầu dò CdTe, Tóm tắt kết quả đạt được, hạn chế và hướng khắc phục của đề tài. 12 | P a g e CHƯƠNG 2: PHƯƠNG PHÁP THỰC HIỆN ĐỀ TÀI 2. Nhiệm vụ của đề tài Những nhiệm vụ chính đặt ra cho đề tài là: - Tổng hợp, chọn lọc và nắm vững các vấn đề về đầu dò bán dẫn, vấn đề về mô phỏng vật lý hạt nhân bằng chương trình Geant4. - Nghiên cứu, nắm rõ các đặc tính của đầu dò bán dẫn CdTe.

- Xây dựng hệ mô phỏng để mô phỏng và khảo sát đường cong hiệu suất đầu dò CdTe. Hướng giải quyết các yêu cầu chức năng - Các vấn đề đầu dò, chất bán dẫn CdTe được tìm hiểu kĩ qua các nguồn tài liệu tin cậy từ internet, các bài báo nghiên cứu chuyên ngành của trong và ngoài nước,. - Xây dựng môi trường mô phỏng bằng ngôn ngữ C++ để lập trình cho Geant4. - Sử dụng thông tin của đầu dò XR100-CdTe của Ampek để đánh giá kết quả mô phỏng.

Tham khảo vào thu thập tài liệu Với yêu cầu đề tài đặt ra, học viên đã tìm hiểu nhiều tài liệu từ internet, sách tham khảo, luận văn của anh chị khóa trên,. Đó là các tài liệu về những vấn đề: - Ngôn ngữ C++, cài đặt Visual studio C++ và cách lập trình C++. - Phần mềm Geant4, các bộ thư viện của Geant4, cách lập trình và cấu trúc của một chương trình Geant4. - Phần mềm CMake, cách sử dụng CMake để build một chương trình Geant4.

- Các bài viết về chất bán dẫn CdTe, tính chất, thông số, ứng dụng. 13 | P a g e - Sử dụng các từ khoá: “Visual studio C++”, “build a geant4 program”, “CdTe detector”, “principle of CdTe detector”, “C++ tutorial”, “Geant 4 program structure”, … để tìm kiếm trên internet. Thực hiện đề tài - Tìm hiểu về các vấn đề lý thuyết liên quan đến đầu dò bán dẫn và ứng dụng, các phản ứng, đặc tính của đầu dò bán dẫn, tính chất của chất bán dẫn. Tổng kết và liệt kê các lý thuyết liên quan đến đề tài.

- Nghiên cứu về CdTe thông qua các tài liệu để nắm các thông số, các đặc tính, ưu nhược điểm và ứng dụng của CdTe. - Tìm hiểu về chương trình Geant4, cách cài đặt, các xây dựng một chương trình Geant4, cấu trúc của chương trình Geant4, các bộ thư viện và các yêu cầu cần thiết khi bắt tay vào thực hiện mô phỏng bằng Geant4. Cài đặt và chạy thử các ví dụ có sẵn trong chương trình Geant4 - Tìm hiểu về ngôn ngữ C++, các câu lệnh và cấu trúc lập trình của ngôn ngữ C++. Thực hành lập trình cho Geant4 bằng ngôn ngữ C++ - Cài đặt và build một chương trình Geant4 bằng CMake - Nghiên cứu và thực hiện chương trình ROOT để truy xuất kết quả từ chương trình Geant4 14 | P a g e CHƯƠNG 3: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 3.

Lý thuyết tương tác gamma với vật chất Tia Gamma là loại bức xạ điện từ có tần số cực cao, gamma là hạt không mang điện nên không bị ảnh hưởng bởi trường lực Coulumb. Do vậy tia gamma có khả năng đi sâu vào vật chất tương tác với hạt nhân, electron hay nguyên tử nói chung và suy giảm năng lượng. Khi đi xuyên qua vật chất, tia gamma sẽ tương tác với vật chất theo nhiều cơ chế khác nhau. Để đơn giản chúng ta sẽ giới hạn khoảng năng lượng khảo sát từ 7,8 keV đến 2 MeV.

Ở trong khoảng năng lượng này có 4 loại tương tác chính : > Hấp thụ quang điện > Tán xạ Compton > Quá trình tạo cặp > Tán xạ Rayeigh Ba quá trình tương tác cơ bản là hấp thụ quang điện, tán xạ compton và quá trình tạo cặp. Trong cả ba trường hợp, electron được sinh ra và bị làm chậm, trong quá trình di chuyển chúng gây ion hóa tạo ra các cặp electron-ion và electron-lỗ trống trong bán dẫn. Quá trình hấp thụ quang điện Quá trình hấp thụ quang điện là quá trình mà một photon tương tác và bị hấp thụ hoàn toàn năng lượng bởi electron ở lớp ngoài nguyên tử. Electron thoát ra khỏi nguyên tử với năng lượng Ee xấp xỉ bằng: Ee = Ey - Eb Trong đó E y là năng lượng tia gamma tới, Eb là năng lượng liên kết của electron.

Ngoài ra, một phần nhỏ năng lượng được truyền cho nguyên tử, năng lượng này không được tính đến trong phương trình trên. Do định luật bảo toàn năng lượng và xung lượng, hiện tượng hấp thụ quang điện không xảy ra với electron tự do. Electron 15 | P a g e phát ra để lại lỗ trống ở lớp vỏ nguyên tử. Các electron các lớp khác sẽ chuyển về lấp đầy lỗ trống làm phát tia X và electron Auger.

Nếu hiện tượng này diễn ra trong một khối vật chất thì những tia X phát ra sẽ bị hấp thụ ở vật liệu phía ngoài. Do đó, trong hầu hết các trường hợp có thể xem như toàn bộ năng lượng của photon bị hấp thụ trong vật liệu xung quanh khu vực tương tác. Tiết diện tương tác phụ thuộc số Z của vật liệu và năng lượng của photon. Một cách gần đúng có thể mô tả tiết diện theo công thức: Hình 3.

Quá trình hấp thụ quang điện Sự phụ thuộc mạnh vào Z cho thấy rằng vật liệu Z cao có tác dụng rất lớn trong hấp thụ và che chắn photon. Sự suy giảm mạnh theo năng lượng photon là lí do vì sao tương tác này lại chiếm ưu thế ở năng lượng thấp nhưng lại có thể bỏ qua ở năng lượng cao. Tán xạ Compton Quá trình tán xạ Compton là quá trình mà photon truyền một phần năng lượng cho electron, phần năng lượng còn lại sẽ do photon thứ cấp mang đi. Mối liên hệ giữa năng lượng và góc tán xạ được minh họa trong hình bên dưới, trong đó E là năng lượng của photon tới, E’ và Ee là năng lượng của photon sau tán xạ và của electron, hệ số a = E/m0C2, với m0C2 là năng lượng tương ứng với khối lượng nghỉ của electron.

Giá trị năng lượng của photon thứ cấp: 16 | P a g e E'= E/[1 + 𝛼(1 - cos𝜃)] Năng lượng của electron sau tán xạ: Ec = E{1 -1/[1 + 𝛼(1 - cos𝜃)]} Mối liên hệ giữa các góc tán xạ: tan 𝜙 = 1/[1 + 𝛼.tan(𝜃/2)] Đối với các góc tán xạ rất nhỏ, năng lượng electron gần như bằng 0, khi đó photon thứ cấp có năng lượng gần bằng với năng lượng của photon ban đầu. đối với góc tán xạ bằng 1800, photon thứ cấp có năng lượng lớn nhất và bằng E/(1 + 2𝛼). Sự phụ thuộc của tiết diện tán xạ Compton vào Z và E được tính gần đúng theo công thức: 𝜎 = constZ. Quá trình tạo cặp Trong vùng năng lượng cao (vài MeV), tạo cặp là tương tác chủ yếu của các tia gamma.

Trong quá trình này, năng lượng của một photon trong trường Coulomb bị biến đổi thành một cặp electron - positron được mô tả như hình bên dưới. Vì thế năng lượng photon phải lớn hơn hai lần năng lượng tương ứng với khối lượng nghỉ của electron (1022 keV). Theo định luật bảo toàn năng lượng, tia gamma sẽ biến mất trong trường Coulomb, sinh ra một cặp electron - positron này cùng với nguyên tử giật lùi ℎ𝜈0 = 2𝑚𝑒 𝑐 2 + 𝑇𝑒+ + 𝑇𝑒− + 𝑇𝐴 17 | P a g e Hình 3. Quá trình tạo cặp Với T e + , T e - , T A lần lượt là động năng của positron, electron và nguyên tử giật lùi.

Các electron và positron được tạo ra sẽ mau chóng được làm chậm trong môi trường. Sau khi mất hết động năng, positron sẽ kết hợp với một electron tạo ra sự hủy cặp, quá trình này tạo ra hai tia gamma với cùng năng lượng 0,511MeV. Tiết diện của quá trình tạo cặp 𝜎𝑝 tỉ lệ với bình phương nguyên tử số: 𝜎𝑝 ∝ 𝑍 2 3. Tán xạ Rayleigh Tán xạ Rayleigh là quá trình mà photon bị tán xạ lên các electron liên kết của nguyên tử mà không gây nên sự ion hóa hay kích thích nguyên tử, năng lượng của gamma không thay đổi sau khi xảy ra tán xạ mà chỉ bị lệch pha được minh họa như hình bên dưới.

Tán xạ này chủ yếu diễn ra ở vùng năng lượng thấp và vật chất có số Z lớn. Tán xạ Raylegih Ngoài tán xạ Rayleigh còn có tán xạ Thomson làm thay đổi hướng của photon mà không làm mất năng lượng. Tán xạ Rayleigh xảy ra với electron lớp ngoài và tán xạ Thomson xảy ra với các electron tự do. Hai tán xạ này thường bị bỏ qua trong rất nhiều trường hợp.

Đầu dò bán dẫn và đặc điểm của đầu dò bán dẫn 3. Giới thiệu về đầu dò bán dẫn a. Chất bán dẫn Chất bán dẫn (tiếng Anh: Semiconductor) là chất có độ dẫn điện ở mức trung gian giữa chất dẫn điện và chất cách điện. Chất bán dẫn hoạt động như một chất cách điện ở nhiệt độ thấp và có tính dẫn điện ở nhiệt độ phòng.

Gọi là "bán dẫn" (chữ "bán" theo nghĩa Hán Việt có nghĩa là một nửa), vì chất này có thể dẫn điện ở một điều kiện nào đó, hoặc ở một điều kiện khác sẽ không dẫn điện. Tính bán dẫn có thể thay đổi khi có tạp chất, những tạp chất khác nhau có thể tạo tính bán dẫn khác nhau. Trường hợp hai chất bán dẫn khác nhau được gắn với nhau, nó tạo ra một lớp tiếp xúc. Các tính chất của các hạt mang điện như electron, các ion và lỗ trống điện tử trong lớp tiếp xúc này là cơ sở để tạo nên diot, bóng bán dẫn và các thiết bị điện tử hiện đại ngày nay.

Trong kỹ thuật điện tử chỉ sử dụng một số chất bán dẫn có cấu trúc đơn tinh thể, quan trọng nhất là hai nguyên tố Gecmani và Silic. Thông thường Gecmani và Silic được dùng làm chất chính, còn các chất như Bo, Indi (nhóm 3), phôtpho, Asen (nhóm 5) làm tạp chất cho các vật liệu bán dẫn chính. Đặc điểm của cấu trúc mạng tinh thể này là độ dẫn điện của nó rất nhỏ khi ở nhiệt độ thấp và nó sẽ tăng theo lũy thừa với sự tăng của nhiệt độ và tăng gấp bội khi có trộn thêm tạp chất. 19 | P a g e Chất bán dẫn về cơ bản có 2 loại là bán dẫn tinh khiết hay còn gọi là bán dẫn đơn chất như là Si, Ge,.

và bán dẫn hợp chất như GaAs, CdTe, ZnS, nhiều oxit, sunfua, selenua, telurua, … và một số chất polime. Điện trở suất 𝜌 của chất bán dẫn nằm trong khoảng trung gian giữa kim loại và chất điện môi.